串联战斗部前级聚能装药和隔爆结构设计与实验研究

 前级聚能装药侵彻技术和两级隔爆技术在串联战斗部的设计研究中占有重要地位。从理论分析、实验研究的手段出发,分析了前级装药的结构设计及前级装药爆炸对后级的影响,设计了两种药型罩结构的聚能装药侵彻混凝土靶实验,以及以多孔铝为隔爆体的隔爆防护实验。实验结果表明,设计的前级装药在混凝土靶上侵彻出了深度为8.2倍、孔径为0.4～0.6倍装药口径的孔洞;所采用的多孔铝隔爆结构有效地防护了二级弹体的破坏。实验效果比较理想。     

串联战斗部前级K装药结构的优化设计

针对串联战斗部前级装药大开孔兼顾侵深的要求,应用LS-DYNA有限元软件,结合正交优化设计方法,仿真研究了K装药的药型罩及隔板结构参数对高速聚能杆式射流成型的影响规律,找出了形成较高头部速度的聚能杆式射流的药型罩外壁曲率半径和偏心距(分别为90~110mm和35~40mm)。计算得到了各结构参数(偏心距、罩外壁曲率半径、壁厚、隔板直径、张角、锥角)对聚能杆式侵彻体成型指标(头部速度和头尾速度差)影响的主次顺序,获得了K装药结构参数的最佳组合。进行了X光成像及侵彻钢靶实验,侵深达到装药口径的3.73倍,侵彻孔径为装药口径的0.36倍,侵彻孔径较均匀。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果为串联聚能装药技术的进一步研究提供了参考依据。     

隔板装药对偏心起爆效应的放大作用

带隔板的聚能装药可有效调整爆轰波形,提高射流的侵彻能力。偏心起爆会导致射流弯曲偏转和速度降低等现象,即偏心起爆效应。现实生产工艺中,聚能装药战斗部的起爆点和隔板的安装不易实现对称控制,基于此问题,应用LS-DYNA有限元软件和ALE算法讨论聚能战斗部中隔板对偏心起爆下产生射流的影响。经对比有无隔板的聚能装药在不同偏心起爆距离下产生射流的形态及速度分布,结果表明:有隔板的聚能装药对偏心起爆效应具有放大作用,且偏心距离越大,放大作用越明显。     

串联战斗部不同介质组合的隔爆能力

为了有效提升串联切割战斗部隔爆结构衰减爆炸冲击波的性能,解决前级聚能装药结构与后级随进弹的匹配及隔爆问题,在前级切割器和后级随进弹之间加装隔爆结构,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立模型,进行不同组合结构隔爆性能的数值模拟,比较隔爆能力。模拟结果表明:前级装药起爆后,爆炸冲击波首先向后级随进弹头靠里区域汇聚,而不是向弹头尖端区域汇聚,因此可以适当减薄外层金属隔爆介质头部尖端区域;将外层金属由硬质钢改成铝时,后端壳体应力峰值的变化很小,故确定外层金属介质为铝;铝-聚脲的隔爆能力优于铝-泡沫铝结构,最终确定"软"隔爆介质为聚脲。通过调整铝和聚脲层的厚度,确定了最佳隔爆参数,能够满足实际应用。     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究北大核心CSCD

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100-140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100~140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

环形双锥罩聚能装药结构优化设计

在环形聚能装药结构中,单锥罩结构形成的射流中间有堆积现象,断裂前射流拉伸长度有限,而双锥罩射流兼顾了上锥小锥角形成高头部速度,下锥大锥角增大射流有效质量的优点,形成的射流更加细长,头部速度高且不易断裂。基于环形切割聚能装药战斗部,综合考虑上锥角大小、上锥罩占药型罩高的比例、药型罩的高度以及药型罩壁厚对射流侵彻能力的影响,并基于灰关联理论对双锥罩环形聚能装药的优化提供依据,通过数值仿真,研究表明:上下锥角对射流成型影响最大,通过比较,当上锥罩为34°、上锥占罩高比例为40%、药型罩高度为70mm、药型罩壁厚为5mm时,形成的射流头部速度高,且在空气中能够稳定飞行。相比单锥罩结构,双锥罩射流细长,在空气中飞行时间长,对靶板的侵深大于单锥罩射流。     

不同罩材聚能装药对多层介质侵彻的实验与数值模拟

 为实现聚能装药对多层介质的大破孔侵彻,提出了钛合金药型罩聚能装药设计方案。采用实验与数值模拟相结合的方法,对钛合金、低碳钢及紫铜罩聚能装药侵彻多层介质进行了研究,分析了钛合金聚能侵彻体相对于紫铜和低碳钢侵彻体在成型过程中,其动能、头部速度及射流长度等的差异,并对侵彻过程中应力波的传播特性进行了分析。结果表明：相对于紫铜和低碳钢,钛合金罩聚能侵彻体的能量转换率高,所获得的动能大,头尾速度梯度小,外形更为短粗;虽对多层介质侵彻时侵彻深度有所减小,但漏斗坑尺寸明显增大,且平均破孔孔径提高了约20%。     

Cu-Ni-Al和Cu聚能射流侵彻后钢靶的毁伤特征

为了对比分析Cu-Ni-Al反应聚能射流和惰性Cu聚能射流对45钢靶的宏观侵彻特性和靶板的微观组织特征,分别进行了Cu-Ni-Al和Cu药型罩的侵彻实验,并利用光学显微镜、扫描电镜、能量色散光谱仪和Vickers显微硬度测量系统对回收钢靶进行表征。实验结果表明:Cu-Ni-Al反应射流对45钢的穿深与Cu射流相比明显降低,但其平均入口孔径提高了33.3%。两种聚能射流侵彻作用下钢靶中均存在残余射流区、白色区(马氏体和奥氏体的混合物)和变形区。与Cu射流相比,Cu-Ni-Al反应射流孔壁残余射流区的硬度值提高了34 MPa,孔壁尾部白色区的硬度值增加了95 MPa,其孔壁头部白色区的硬度值降低了28 MPa。两种聚能射流孔壁尾部白色区的硬度值均高于头部。研究结果可为评估反应材料药型罩聚能装药战斗部的毁伤效应提供一定的参考。     

串联弹前级装药对后级随进弹爆炸作用的研究

 为获得串联战斗部随进弹在受到前级装药爆炸作用时,质量对其所受最大过载及动能衰减的影响规律,采用非线性动力学软件AUTODYN,基于Euler-Lagrange耦合算法,对前级装药的爆炸过程中,不同弹径、不同质量的随进弹穿越爆轰场进行了数值模拟。得出了随进弹在前级爆炸作用下所受最大过载和动能衰减的变化规律。基于数值模拟结果建立了随进弹剩余速度与质量的无量纲关系式,计算结果得到了实验验证。     

聚能装药爆炸喷涂WC/Co涂层制备实验研究

利用聚能装药爆炸喷涂技术在基板表面制备了WC/Co(Co的质量分数为10%)涂层,简述了聚能装药爆炸喷涂的技术工艺。利用X射线衍射仪、金相显微镜对经聚能装药爆炸喷涂得到的涂层进行表征、分析。实验结果显示,使用WC/CoC_2O_4·2H_2O(21.7%,CoC_2O_4·2H_2O质量分数)机械混合粉末制备的涂层比使用WC/Co(10%)机械混合粉末制备的涂层均匀致密,并且涂层氧化脱碳程度明显降低。随着WC/CoC_2O_4·2H_2O(21.7%)机械混合粉末中气体分散剂含量的增加,经聚能装药爆炸喷涂技术制备的涂层孔隙率逐渐降低,涂层均匀,致密性逐渐增强。     

环型聚能装药侵彻靶板能力多因素分析

环型聚能装药结构参数与其侵彻靶板能力间的关系难以用精确的数学函数表达,因此利用灰色关联理论建立描述该关系的模型是有意义的。首先采用灰色关联度理论对正交试验数据进行初步处理分析,将多目标问题转化为单目标问题,得到各结构参数与侵彻靶板能力的灰色关联度;然后应用基于支持向量机回归、粒子群优化、遗传算法等参数寻优算法的支持向量机(SVM)网络回归模型对灰色关联度进行预测,从而实现对环型聚能装药侵彻靶板能力的计算。结果表明,使用基于遗传算法参数寻优的SVM网络回归模型拟合精度最高,该模型可以很好地描述正交试验中环型聚能装药结构参数与侵彻靶板能力间的关系。最后选用正交试验外的一组数据,应用LS-DYNA对该结构参数下的环型聚能装药侵彻靶板过程进行仿真,并将仿真试验数据与SVM网络回归模型的预测值作比较,验证了该模型的可靠性。     

展开式定向战斗部展开过程实验研究

展开式定向战斗部具有较高的破片利用率,对该类型战斗部的研究有助于提高空空导弹的终端毁伤威力。基于展开式定向战斗部的工作原理和结构,设计加工了原理样机,并将其用于实验。利用高速摄影技术对该战斗部的展开过程进行记录。结果表明,所设计的展开式定向战斗部的原理样机展开过程符合理论预期,增加驱动药的装药量可以有效缩短战斗部的展开时间。另外,外部装药槽中的驱动药多于内部装药槽的加载方式更有利于各主装药的同步展开,还可以有效降低起爆触发系统的设计难度。     

展开式定向战斗部展开过程实验研究北大核心CSCD

展开式定向战斗部具有较高的破片利用率,对该类型战斗部的研究有助于提高空空导弹的终端毁伤威力。基于展开式定向战斗部的工作原理和结构,设计加工了原理样机,并将其用于实验。利用高速摄影技术对该战斗部的展开过程进行记录。结果表明,所设计的展开式定向战斗部的原理样机展开过程符合理论预期,增加驱动药的装药量可以有效缩短战斗部的展开时间。另外,外部装药槽中的驱动药多于内部装药槽的加载方式更有利于各主装药的同步展开,还可以有效降低起爆触发系统的设计难度。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

多层平行平板装药的间距对聚能射流的干扰影响

基于平板装药与聚能射流的作用原理和应对大口径带隔板侵彻能力更强的聚能装药的需求,通过理论分析和数值模拟的方法,对比研究了单层平板装药、双层平行平板装药和多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力,发现随着平板装药层数的增加,多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力增强。平板装药之间的距离不仅决定了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果,而且决定了反应装甲的尺寸。采用ANSYS/LS-DYNA3D软件再现平板装药与聚能射流的相互作用的过程,综合对比某一时刻聚能射流的剩余速度、剩余动能、后效,优选出最佳的平板装药之间的距离δ=25mm时,不仅保证了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果而且能有效控制反应装甲的尺寸和重量,可为后期新型反应装甲的研制提供参考。     

球缺药型罩爆炸成形弹丸数值模拟

采用变壁厚球缺形药型罩可以形成速度梯度小的爆炸成形弹丸，有效增加成坑直径；另外，通过使用轻金属药型罩改变聚能装药各部件间的质量分配，从而实现爆轰过程中能量分配的优化，也是提高射弹能量的一条可行途径。     

发射过程中混合燃料应力状态的数值分析

 炸药装药在发射条件下的安全性问题已成为高能量炸药应用的一个技术障碍,引起了各国的广泛重视。燃料空气炸药（FAE）战斗部是近年来倍受国内外关注的新概念武器。目前关于FAE装药的发射安全性特别是高过载环境下的发射安全性研究还不系统、不够深入,也没有给予足够的重视。运用爆炸力学程序Object MMIC程序分析了FAE战斗部发射过程中的应力和应力率变化规律。分析结果表明,FAE战斗部发射过程中受到的应力和应力率不同于传统的发射过程,因此,有必要建立适用于FAE武器的全新的发射安全性理论。这些研究对提高FAE战斗部发射安全性提供了依据。     

强火光中图像拍摄技术研究

对串联战斗部一级战斗部装药燃烧的火光进行近紫外波段光谱分析,选取了310 nm～320 nm作为高速摄像机拍摄窗口,并采用窄带滤波器过滤掉拍摄窗口之外的其他光谱,使用激光辅助照明设备对火光中的物体在320 nm处进行照明,较为清晰地拍摄到了强火光中的物体图像,并进一步通过串联战斗部穿靶试验,验证了系统的科学和有效性。